Causas de la degradación de la batería.

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En medio de una amplia variedad de baterías, cada tipo de celda y subespecie de dispositivo tiene una vulnerabilidad única a la degradación, influenciada por el uso y otros factores. Algunas células prosperan a bajas temperaturas, otras sobresalen con corrientes elevadas. Sin embargo, esta especialización a menudo tiene un costo.

El envejecimiento de la batería está relacionado con el tiempo (en casos de envejecimiento calendario o “calendario”) o con el uso, donde la carga y la descarga representan un envejecimiento “cíclico”.

Ambas formas de envejecimiento contribuyen a que la capacidad y la eficiencia se desvanezcan y aumenten la resistencia interna a medida que los iones quedan atrapados en reacciones secundarias desagradables para siempre. Estas reacciones son impulsadas por varios "factores influyentes". Normalmente, los iones reaccionan de forma irreversible con otros materiales de la célula, formando residuos pasivos e impidiendo su uso para el transporte de energía.

Los factores de influencia comunes, cuyo impacto varía según el tipo de celda, incluyen la temperatura de las celdas de la batería; estado de carga del dispositivo (SOC); y la corriente o potencia utilizada durante la carga y descarga. En cuanto al estado de carga (la cantidad de carga o energía de una batería), el SOC inactivo es importante cuando una batería no está en uso y la ventana de SOC (el rango en el que se produce el ciclo) es relevante cuando un dispositivo está en ciclo.

El estrés mecánico, como la vibración y la presión, es otro factor que influye en la degradación de la batería, pero por ahora nos centraremos en los tres factores anteriores.

Temperatura

La temperatura juega un papel fundamental en la duración de la batería. La mayoría de las químicas celulares se benefician del almacenamiento y el ralentí a bajas temperaturas, por debajo de 20 C, ya que eso ralentiza el envejecimiento calendárico al reducir la posibilidad de reacciones secundarias. El ralentí a temperaturas más altas puede aumentar considerablemente la tasa de degradación.

Por el contrario, la mayor parte de la tecnología celular es muy sensible al funcionamiento a baja temperatura, lo que genera un dilema. Dado que más de 30 C a 40 C es menos que óptimo, el punto óptimo para el funcionamiento de las celdas de batería es de alrededor de 15 C a 25 C, para la mayoría de las químicas. Las baterías más nuevas basadas en níquel-manganeso-cobalto (NMC) son muy sensibles a la carga a baja temperatura y pueden ocurrir defectos peligrosos si se cargan a menos de 10 C. En el gráfico de la izquierda se muestran tres celdas NMC de alta calidad del mismo tipo. , la tasa de degradación mejora ligeramente al reducir la temperatura de funcionamiento en 10 C, de 25 C (la línea naranja) a 15 C (línea violeta). Sin embargo, bajar 10 C (línea azul) haría que la batería fallara casi de inmediato.

Recubrimiento de litio

Las baterías de iones de litio son generalmente seguras, pero en determinadas condiciones (temperaturas frías, corrientes elevadas o con un electrodo anfitrión ya bien lleno) pueden experimentar un revestimiento de litio. El ejemplo anterior muestra el impacto del revestimiento a baja temperatura. El enchapado es una forma de residuo que se produce cuando los iones de litio forman depósitos metálicos dentro de las celdas de la batería. Con el tiempo, este proceso puede acumularse y eventualmente conducir a cortocircuitos internos que podrían desencadenar una fuga térmica: una liberación rápida y peligrosa de calor y gases.

SOC

El estado de carga tiene un impacto sustancial en la vida útil de la batería. Tanto el SOC inactivo, durante la falta de uso (lo que se refiere al envejecimiento calendárico), como el rango o ventana de SOC durante la operación (envejecimiento cíclico) son importantes. El siguiente ejemplo muestra dos células NMC idénticas.

El siguiente gráfico muestra la evolución de la degradación de dos casos de uso casi idénticos de células NMC de alta calidad.

Ambos usan solo alrededor del 50% de la batería, y el primer caso de uso (la línea azul) lo hace en la mitad superior del SOC, comenzando completamente cargado y cayendo al 50% antes de volver a cargarse completamente. El segundo caso de uso (en naranja) comienza con una carga del 50 % y termina prácticamente vacío. Como muestran los gráficos, el impacto en la degradación es increíble: la batería naranja durará entre dos y tres veces más que la azul, lo que reducirá el coste total de propiedad a más de la mitad.

Sin embargo, cabe destacar que este es un ejemplo de un tipo de célula particular y que otros dispositivos y células pueden comportarse de forma completamente diferente. Como regla general, evitar un SOC por encima del 90 % y por debajo del 10 % generalmente prolonga la vida útil de la batería, pero hay excepciones.